衰老是隨著(zhù)時(shí)間的推移，機體生物學(xué)功能衰退的過(guò)程，會(huì )大大提高神經(jīng)退行性疾病、糖尿病以及腫瘤等相關(guān)疾病的發(fā)病率。衰老的表征體現在各個(gè)方面，延緩衰老是一件極具困難的挑戰。在過(guò)去的幾十年，生物學(xué)家以模式動(dòng)物為研究對象，在不斷地探索中發(fā)現衰老主要受遺傳和環(huán)境兩方面因素影響。1939年，對小鼠和大鼠進(jìn)行卡路里攝入限制（約減少30%碳水化合物的攝入），研究人員發(fā)現可以顯著(zhù)的延長(cháng)壽命。上世紀末，Tom Johnson和Cynthia Kenyon以秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng) （Caenorhabditis elegans）為研究對象先后發(fā)現，抑制age-1和daf-2可以引起近乎兩倍的壽命延長(cháng)。這些里程碑式的科學(xué)發(fā)現引領(lǐng)我們進(jìn)入人類(lèi)健康研究的新時(shí)代。

       7月10日，美國巴克衰老研究所所長(cháng)Eric Verdin 及多名衰老研究領(lǐng)域的專(zhuān)家在Nature上推出From discoveries in ageing research to therapeutics for healthy ageing的專(zhuān)題綜述?，F將該文編譯如下，供大家參考學(xué)習。

       衰老研究的遺傳學(xué)手段

       經(jīng)過(guò)近幾十年的研究，生物學(xué)家發(fā)現壽命（lifespan）是一種遺傳性狀，其具有遺傳基礎。不同物種具有不同的遺傳基礎，因此其壽命也存在巨大的差異，從幾天到幾十年不等。1952年，Peter Medawar提出衰老是物種生殖后自然選擇力下降的結果。遺傳學(xué)家和進(jìn)化學(xué)家以果蠅（Drosophila）為研究對象，選擇性的培育具有遺傳多樣性的在早期進(jìn)行繁育的果蠅種群和在晚期進(jìn)行繁育的果蠅種群。檢測這兩類(lèi)種群壽命和基因結構發(fā)現：在晚期進(jìn)行繁育的果蠅壽命是在早期進(jìn)行繁育的果蠅壽命的兩倍，且這些壽命差異及基因差異具有可遺傳性。生物體含有成千上萬(wàn)個(gè)基因，研究人員認為任何單基因的突變對生物體的影響應該是微乎其微。但是，以秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng)為模式生物，科研人員發(fā)現了一項具有里程碑意義的研究，單基因敲除age-1產(chǎn)生40%~60%的壽命延長(cháng)，這大大打破了科研人員以往的認知。運用遺傳學(xué)手段研究衰老的成果如雨后春筍，目前，根據GenAge上的數據，已經(jīng)有800多個(gè)基因已經(jīng)被鑒定出來(lái)參與調節線(xiàn)蟲(chóng)的壽命進(jìn)程。

       參與壽命調節的信號通路和過(guò)程

       過(guò)去30年對于衰老研究已經(jīng)從簡(jiǎn)單地鑒定壽命長(cháng)短轉變?yōu)樘剿饔绊憠勖L(cháng)短的遺傳通路。衰老的遺傳學(xué)研究揭示了一系列復雜的細胞內信號傳導途徑和生物學(xué)過(guò)程。

       胰島素類(lèi)生長(cháng)因子信號通路

       20世紀90年代，美國加州大學(xué)舊金山分校的Keyon教授為了找到秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng)中的衰老調控因子進(jìn)行一系列的遺傳篩選工作，發(fā)現在25℃，daf-2突變體會(huì )使得秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng)在幼蟲(chóng)時(shí)期進(jìn)入dauer（發(fā)育停滯）狀態(tài)；daf-2突變體產(chǎn)生2倍的壽命延長(cháng)。進(jìn)一步的研究發(fā)現，daf-2和daf-16作用在同一條信號通路參與調控線(xiàn)蟲(chóng)dauer的形成以及壽命的調控。線(xiàn)蟲(chóng)中這些與壽命調控相關(guān)的基因與哺乳類(lèi)動(dòng)物中胰島素類(lèi)信號通路的關(guān)鍵作用因子是同源物。age-1基因編碼磷脂酰肌醇-3激酶，daf-2基因編碼胰島素樣受體，daf-16基因編碼FOXO樣轉錄因子。令人驚喜的是，抑制酵母和果蠅中胰島素類(lèi)信號通路中的關(guān)鍵因子可以延長(cháng)了壽命。這表明胰島素樣信號通路對于壽命的調控在多個(gè)物種中是保守的。這說(shuō)明我們從模式生物中探索人類(lèi)衰老進(jìn)程是可行的。

       雷帕霉素受體信號通路

       雷帕霉素受體蛋白最早在雷帕霉素的研究中被鑒定出來(lái)。早期的研究發(fā)現雷帕霉素具有顯著(zhù)的抗真菌特性，進(jìn)一步的研究發(fā)現，其還可以抑制細胞的生長(cháng)和參與免疫調節。隨后在酵母中鑒定出抑制雷帕霉素產(chǎn)生的細胞周期阻滯特性的突變體，分別是編碼TOR1和TOR2基因的突變。雷帕霉素受體受營(yíng)養和生長(cháng)因子的激活，通過(guò)調節mRNA翻譯、自噬、線(xiàn)粒體功能、核糖體合成及代謝等生物學(xué)過(guò)程，促進(jìn)細胞的生長(cháng)與增殖。TOR與飲食限制之間存在一定的關(guān)系。飲食限制對機體是有益，從進(jìn)化學(xué)角度分析認為，飲食限制條件下，能量分配會(huì )從生殖生長(cháng)傾向于維持體細胞運行轉變，從而延長(cháng)壽命。TOR作為一個(gè)保守的營(yíng)養感應因子，在多個(gè)物種中被發(fā)現參與調控生長(cháng)和維持能量轉換以及壽命等過(guò)程。TOR途徑的各種組分活性抑制的果蠅可以模仿飲食限制產(chǎn)生壽命延長(cháng)。另外一個(gè)矚目的發(fā)現是：當同時(shí)抑制TOR和胰島素類(lèi)信號通路中的關(guān)鍵因子rsks-1和daf-2可以產(chǎn)生5倍的壽命延長(cháng)。

       Sirtuins and NAD+

       1995年，運用遺傳篩選手段鑒定影響壽命的表觀(guān)遺傳“沉默”因子。Sir2被鑒定出是一種保守的蛋白質(zhì)，參與調控酵母的壽命。Sir2編碼一種去乙?；?，呈現出NAD +依賴(lài)性的去除組蛋白中的乙?；?。酵母飲食限制條件下，Sir2可以誘導產(chǎn)生壽命延長(cháng)的表型。其他物種中也將Sir2相關(guān)蛋白都統稱(chēng)為sirtuins，通常利用其蛋白質(zhì)脫酰酶的作用，去除目標蛋白賴(lài)氨酸殘基上的?；?，包括乙?；?、琥珀?；捅；?。小鼠和人中共有七種sirtuins蛋白。SIRT1，SIRT2，SIRT3，SIRT6和SIRT7是真正的去乙?；?，而SIRT4和SIRT5不表現出去乙?；富钚?，但是會(huì )去除蛋白質(zhì)賴(lài)氨酸殘基中的其他?；?。值得注意的是，SIRT1，SIRT2，SIRT6和SIRT7可能具有表觀(guān)遺傳調節因子的作用，而SIRT3，SIRT4和SIRT5位于線(xiàn)粒體中。

       NAD +是所有活細胞中關(guān)鍵的氧化還原輔酶。它既可作為關(guān)鍵的輔酶，將一個(gè)反應的電子傳遞到另一個(gè)反應來(lái)促進(jìn)氧化還原反應，也可作為其他酶的底物，如sirtuins和聚腺苷二磷酸 - 核糖聚合酶（PARPs）。越來(lái)越多的證據表明，NAD +水平和sirtuins的活性隨著(zhù)衰老的發(fā)生會(huì )降低，同時(shí)，高脂飲食飼喂的動(dòng)物也會(huì )使得這兩者降低。但是，當飲食限制、禁食、葡萄糖限制，或者是運動(dòng)都會(huì )使得NAD +水平升高，促進(jìn)壽命延長(cháng)和提高健康水平。結合一系列的研究，使用NAD +補充劑可能會(huì )產(chǎn)生壽命延長(cháng)。

       Circadian clocks （生物鐘）

       對sirtuins 和NAD +的研究也幫助我們了解了生物鐘與衰老之間的聯(lián)系。NAD +水平呈現晝夜節律方式波動(dòng)，通過(guò)SIRT1表觀(guān)遺傳機制將外周時(shí)鐘與代謝的轉錄調節聯(lián)系起來(lái)。在哺乳類(lèi)動(dòng)物小鼠中，核心的生物鐘機制是BMAL1和CLOCK直接調節NAD +補救途徑中NAMPT的表達。SIRT1的去乙酰酶活性取決于NAMPT的存在。同樣的，其他幾種穩態(tài)反應也受生物鐘的調節。衰老的一個(gè)常見(jiàn)標志是晝夜節律行為（睡眠 - 覺(jué)醒周期）的逐漸喪失和晝夜節律相關(guān)基因的表達受到抑制。飲食限制對生物鐘有顯著(zhù)的影響，以小鼠和果蠅為研究對象發(fā)現飲食限制通過(guò)影響節律相關(guān)基因的表達促進(jìn)晝夜節律的穩態(tài)影響生物鐘。更重要的是，飲食限制促進(jìn)果蠅和小鼠壽命延長(cháng)的過(guò)程需要生物鐘過(guò)程的參與。

       線(xiàn)粒體和氧化應激反應

       在20世紀50年代，一些理論認為機體內源性產(chǎn)生的或者是基礎代謝過(guò)程如呼吸產(chǎn)生的氧自由基分子是促進(jìn)衰老發(fā)生的關(guān)鍵元素。這些理論的依據來(lái)源于線(xiàn)粒體產(chǎn)生的超氧化物是衰老病理生理學(xué)的關(guān)鍵介質(zhì)。實(shí)際上，隨著(zhù)科技發(fā)展，研究人員發(fā)現隨著(zhù)年齡的增長(cháng)，氧化損傷會(huì )在物種的多個(gè)組織中進(jìn)行堆積。我們不能否定的是這些氧化損傷主要是由年齡增長(cháng)引起的，但是氧化損傷的堆積是否是造成衰老的原因依舊是未知的。在20世紀90年代和21世紀初，研究人員在模式動(dòng)物中過(guò)表達參與自由基分子解毒反應的關(guān)鍵因子如超氧化物。其中有多個(gè)產(chǎn)生壽命延長(cháng)表型的模型，這些研究表明新陳代謝過(guò)程中產(chǎn)生的氧化損傷在某種程度上限制了壽命。然而，這一研究結果在小鼠中進(jìn)行驗證的時(shí)候受到了挑戰。在小鼠中過(guò)表達線(xiàn)粒體抗氧化過(guò)程中的關(guān)鍵因子超氧化物歧化酶2與野生型相比并沒(méi)有壽命延長(cháng)的表型。但是進(jìn)一步的發(fā)現特異性地將過(guò)氧化氫清除蛋白過(guò)氧化氫酶靶向到線(xiàn)粒體上可以顯著(zhù)的改善小鼠的健康狀況和促進(jìn)壽命延長(cháng)。這些矛盾的結果并不奇怪，因為線(xiàn)粒體內的自由基的產(chǎn)生是復雜的，呼吸鏈中至少有十處反應節點(diǎn)可以誘導產(chǎn)生氧自由基，而且不同的生理狀態(tài)，不同的年齡以及不同的細胞類(lèi)型產(chǎn)生氧自由基的效率也是有很大的差異。

       雖然機體中高水平的氧自由基與細胞損傷和炎癥有關(guān)，但是低水平的氧自由基可以通過(guò)適應性應答反應（Mitohormesis）增強細胞的抵御能力。這種Mitohormesis能力也是當線(xiàn)粒體功能受到損害時(shí)，仍舊可以促進(jìn)線(xiàn)蟲(chóng)、蒼蠅和小鼠中壽命延長(cháng)的原因。用線(xiàn)蟲(chóng)作為模式生物進(jìn)行全基因組篩選發(fā)現敲降參與電子傳遞鏈過(guò)程的幾個(gè)基因可以顯著(zhù)的延長(cháng)壽命，這個(gè)過(guò)程需要UPRmt（Mitochondrial unfolded protein response，線(xiàn)粒體未折疊蛋白應答）的參與。破壞神經(jīng)元中的線(xiàn)粒體功能能夠細胞非自主性的激活腸道中的UPRmt，預示著(zhù)存在協(xié)調組織間代謝調控的信號因子。線(xiàn)粒體功能紊亂會(huì )在轉錄層面影響很多過(guò)程基因的表達，包括參與調控蛋白質(zhì)折疊的基因，抗氧化防御相關(guān)基因和新陳代謝相關(guān)基因。UPRmt受若干因素的調節，包括轉錄因子ATFS-1，DVE-1以及泛素樣蛋白UBL-5，線(xiàn)粒體蛋白酶ClpP和線(xiàn)粒體內膜轉運蛋白HAF- 1。

       Senescence （細胞衰老）

       60年前，人體細胞的分裂能力是有限度的理論首次被發(fā)表。細胞分裂的停滯在后期的研究中被認為是細胞衰老的一種現象。細胞衰老的特征主要表現在三個(gè)方面：細胞增殖停滯，抵抗細胞凋亡以及復雜的衰老相關(guān)表型的發(fā)生。細胞增殖受阻主要是由于端粒變短功能喪失引起的。功能失調的端粒會(huì )引發(fā)持續的DNA損傷反應，進(jìn)而誘導細胞周期停滯和衰老相關(guān)因子的表達。例如一些致癌因子誘發(fā)衰老就是由于基因復制紊亂以及DNA損傷導致的。細胞培養研究表明，細胞衰老是各種衰老表型和疾病發(fā)生的標志。

       免疫衰老

       免疫系統的衰老被稱(chēng)為免疫衰老，是“炎癥”的原因之一，是指生物體在年老時(shí)，其細胞和組織中炎癥標志物的水平升高，這會(huì )導致慢性炎癥的發(fā)生。與急性炎癥相反 ，這是一種旨在保護宿主免受感染和傷害的進(jìn)化保守機制。免疫衰老與很多衰老相關(guān)疾病有關(guān)，包括癌癥、II型糖尿病、心血管疾病以及神經(jīng)退行性疾病。

       蛋白質(zhì)穩態(tài)

       蛋白質(zhì)穩態(tài)是主要是維持蛋白質(zhì)結構和功能的重要過(guò)程，在衰老進(jìn)程中被打破。蛋白質(zhì)組的穩定性與生物體的壽命存在很大的關(guān)系，例如在自然條件下，隨著(zhù)衰老進(jìn)程的發(fā)生，大量的蛋白質(zhì)會(huì )在胞質(zhì)內沉積，而裸鼴鼠體內蛋白水解酶的活性升高，蛋白質(zhì)組的穩定性升高，壽命延長(cháng)。同樣的，在秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng)中，這些不溶性蛋白質(zhì)的高度富集影響壽命。影響壽命的主要途徑也參與調節保護性因子的表達水平。例如，胰島素信號通路控制分子伴侶的表達， TOR信號通路調節許多形式自噬的發(fā)生。

       科學(xué)手段延緩衰老的轉折點(diǎn)

       隨著(zhù)對衰老分子機制的深入了解，運用科學(xué)的手段延緩衰老可能不再是遙不可及的夢(mèng)。根據早期的研究，參與壽命延長(cháng)過(guò)程的基因有很多，這預示著(zhù)衰老過(guò)程中的可塑性水平遠高于預期。其次，參與調控衰老進(jìn)程的信號通路在酵母，線(xiàn)蟲(chóng)，果蠅，小鼠及人類(lèi)中具有高度保守性。這些發(fā)現預示著(zhù)以模式生物為研究基礎探索衰老相關(guān)因子為延長(cháng)人類(lèi)壽命和提高生活質(zhì)量提供了可行性。

       未來(lái)的挑戰

       將模式生物中獲得的研究成果轉移到人類(lèi)上仍面臨著(zhù)巨大的挑戰，需要克服幾個(gè)關(guān)鍵的困難，如下所述。首先，在特定的遺傳環(huán)境中獲得的有效的干預措施可能在另一種遺傳環(huán)境中不起作用。例如，對多種重組近交系小鼠進(jìn)行飲食限制，分析發(fā)現壽命有長(cháng)有短。另外，人口群體存在很大的遺傳異質(zhì)性，這與疾病易感性、壽命以及個(gè)體對藥物的反應有很大的關(guān)系。這種異質(zhì)性是當前精準醫學(xué)領(lǐng)域的基礎，其旨在識別疾病的關(guān)鍵遺傳決定因素并定制對獨特遺傳變異的干預和治療。此外，人類(lèi)個(gè)體中存在自然遺傳變異，藥物干預可能在不同的人類(lèi)中取得不同的結果。最后，在模式生物中的研究并不總能預測在人體中的現象。這可能是由于小鼠和人之間的內在生物學(xué)差異。生物學(xué)的復雜性以及影響生物表型的已知和未知變量的多樣性導致研究相同生物的不同實(shí)驗室之間的差異性，不僅在小鼠研究中，在其他模式生物中已然存在。

       臨床試驗的藥物

       美國衰老研究所實(shí)施的ITP計劃（Intervention Testing Program）已經(jīng)確定了五種促進(jìn)小鼠壽命延長(cháng)的藥物，包括雷帕霉素、阿卡波糖、去甲二氫愈創(chuàng )木酸、17-α-雌二醇和阿司匹林。這些藥物中的一些可以顯著(zhù)地改善動(dòng)物模型的健康狀況。在延長(cháng)小鼠壽命的其他研究中發(fā)現metformin，靶向血管緊張素轉換酶和醛固酮受體的藥物，以及sirtuin活化劑具有顯著(zhù)的作用。但是這些藥物需要進(jìn)一步的工作來(lái)驗證其功效。目前，正在進(jìn)行測試的具有延緩衰老的另外五種藥物包括****、雷帕霉素類(lèi)似物、Senolytics、Sirtuin激活劑、NAD +前體。但是需要注意的是藥物延緩衰老依舊是一條漫長(cháng)的道路。

       運動(dòng)改善生活質(zhì)量

       雖然目前人們更多的注意力都集中在藥物開(kāi)發(fā)上，但值得注意的是運動(dòng)是一種真正有效的延緩衰老以及提高生活質(zhì)量的方式。目前研究發(fā)現衰老引發(fā)的功能性障礙在沒(méi)有合適的治療方法時(shí)，運動(dòng)是唯一一種能夠顯著(zhù)改善機體、提高生活質(zhì)量的方法。

       飲食和衰老

       飲食可能是影響健康和衰老最重要的因素之一。然而，這是一個(gè)非常復雜的領(lǐng)域。衰老領(lǐng)域幾乎專(zhuān)注于研究飲食限制對壽命和健康影響，暴飲暴食及肥胖會(huì )縮短壽命并降低健康狀況。不可否認的是合理的飲食的習慣與壽命的延長(cháng)和慢性疾病的發(fā)病率之間存在著(zhù)密切的關(guān)系。令人興奮的近期的研究發(fā)現飲食限制（5天正常飲食+2天限制飲食）可以顯著(zhù)改善人類(lèi)的健康狀況。另外，生酮飲食被發(fā)現可以被用作兒童癲癇的治療方法。衰老研究依舊是一條任重而道遠的路。

       探索衰老的生物學(xué)標志物

       在過(guò)去的40年里，醫學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了一種漸進(jìn)式的轉變，從“sick care”（疾病發(fā)生后再進(jìn)行治療）轉變成“health care”（識別疾病發(fā)生前特有的表征，對疾病進(jìn)行預防）。例如，膽固醇含量升高及血壓升高都不是疾病，但是這兩者卻是心肌梗塞和中風(fēng)疾病發(fā)生的主要表征。同樣地，衰老嚴格意義上也不是一種疾病，但是多種慢性疾病都會(huì )伴隨著(zhù)年齡的增長(cháng)呈現很高的發(fā)病率。識別衰老的生物學(xué)標志物可以幫助我們更好的尋找延緩衰老的方法，降低衰老相關(guān)疾病的發(fā)病率。衰老進(jìn)程是一個(gè)非常復雜的過(guò)程，多年來(lái)識別衰老的生物學(xué)標志物仍舊是一個(gè)尚未攻克的難題。